JP2023504941A - 予燃焼室を備えた火花点火エンジン並びにエンジン用の予燃焼室及びアダプタインサート - Google Patents

Abstract

本発明は、火花点火式エンジン（３）に関する。エンジン（３）は、少なくとも１つの主燃焼室（８）と、主燃焼室（８）を少なくとも部分的に取り囲むシリンダヘッド（２）とを含む。中心軸（６）を有するエンジン（３）の点火プラグ（４）がシリンダヘッド（２）内に配置され、点火プラグ（４）の点火端（９）が主燃焼室（８）に面する。少なくとも２つのノズル（１３）を有する予燃焼室（１２）は、主燃焼室（８）内に配置され、ノズル（１３）を介して点火プラグ（４）の点火端（９）と主燃焼室（８）とを接続する。

Description

本発明は、請求項１に記載の予燃焼室を備えた火花点火エンジンに関する。本発明はまた、予燃焼室を有するアダプタインサート及びエンジン用の予燃焼室に関する。

点火プラグは、エンジン内のシリンダの主燃焼室内の充填物（燃料及び空気の混合物）の火花点火エンジンに使用される。受動型の予燃焼室は、点火プラグ上に配置することができ、ノズルを介して主燃焼室に接続することができる。予燃焼室の使用は、例えば、特許文献１～４から知られている。充填物の点火は、予燃焼室内で起こり、部分的に燃焼された充填物の噴射を介してノズルを通って主燃焼室まで延びる。そこで、エンジンの圧縮行程中に、主燃焼室から予燃焼室内へ充填物が押し出され、その後、点火プラグによって点火される。部分燃焼の充填物は、ノズルを介して主燃焼室に流れ、主燃焼室内の充填物は、複数点で点火される。このようにして、主燃焼室内のより速い燃焼に到達することができ、エンジンのノックを回避することができる。予燃焼室はまた、予燃焼室なしの従来の点火プラグでは不可能であった希釈混合物の点火を可能にする。予燃焼室の使用は、モータースポーツ用途では十分に確立されているが、ロードカー用途にはまだ広まっていない。これは、初期コールドスタートの間に排気触媒のための発熱のような、低エンジン負荷、例えばアイドル及び遅延燃焼位相において許容可能な燃焼安定性を達成するという課題があるからである。

米国特許出願公開第３，９２１，６０５号明細書 米国特許出願公開第４，２１８，９９２号明細書 米国特許出願公開第４，０９２，９６９号明細書 米国特許第９，８５０，８０６号明細書

したがって、本発明の目的は、記載された欠点を克服するための、一般的なタイプの火花点火エンジンのための改良された、又は少なくとも別の実施形態を特定することである。特に、本発明の目的は、全速度負荷マップにわたって、特に低エンジン負荷、及び／又は、遅延燃焼位相及び／又はコールドスタート条件下で、エンジンの動作を可能にする予燃焼室を特定することである。

本発明によれば、この目的は、独立クレームの主題によって達成される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

火花点火エンジンは、少なくとも１つの主燃焼室と、主燃焼室を少なくとも部分的に取り囲むシリンダヘッドとを含む。エンジンは、中心軸を有し、シリンダヘッド内に配置された点火プラグを含む。そこで、点火プラグの点火端は、主燃焼室に面する。すなわち、点火プラグは、点火端を有するシリンダヘッドを、主燃焼室の方向の外側から貫通している。少なくとも２つのノズルを有する予燃焼室が、主燃焼室内に配置され、ノズルを介して点火プラグの点火端と主燃焼室とを接続する。言い換えれば、ノズルを有する予燃焼室は、点火プラグの点火端と主燃焼室との間に配置される。本発明によれば、予燃焼室体積比は、上死点における主燃焼室の体積に対する予燃焼室の体積の比に対応し、１．９％～３．１％である。さらに、ノズル要素は、ノズルの合計流通領域と予燃焼室の体積との比に対応し、０．０８５ １／ｃｍ～１．１５ １／ｃｍである。

上死点は、前記主燃焼室を有するシリンダのピストン位置であることは言うまでもない。上死点における主燃焼室の体積は最小である。予燃焼室容積比は、予燃焼室内の燃焼から利用可能な点火エネルギーを規定する。予燃焼室容積比が１．９％未満である場合、低いエンジン負荷では点火エネルギーが不十分であり、主燃焼室への燃焼充填物の噴流の浸透が低減される。逆に、予燃焼室容積比が３．１％よりも大きい場合、予燃焼室内の過剰圧力は、高いエンジン負荷では高すぎ、熱損失が増加する。ノズル要素は、燃焼後に予燃焼室からの流れを可能にし、予燃焼室に新鮮な充填物を補充する能力に関する。ノズル要素はまた、その燃焼事象中に予燃焼室内の圧力上昇を制御するために使用することができ、これは、部分的に燃焼された充填物の主燃焼室内への噴流の浸透と、主燃焼室内の点火点の位置特定とをもたらす。１．９％～３．１％の予燃焼室容積比及び０．０８５ １／ｃｍ～１．１５ １／ｃｍのノズル要素を有する予燃焼室を使用することにより、エンジンの低負荷、遅延燃焼位相及び低温始動の条件下で、運転マップ全体にわたって最適な燃焼が可能になると有利である。火花点火エンジンは、乗用車、商用車、オートバイ、レクリエーション用車、定置エンジン、又は他の用途に使用することができる。火花点火エンジンは、ガソリン又は他のタイプの燃料を使用することができる。

ノズルアスペクト比が、それぞれのノズルの直径に対するそれぞれのノズルの長さの比に対応することが提供され得ると有利である。ノズルアスペクト比は１．７～２．２である。ノズルアスペクト比は、主燃焼室内への燃焼充填物の個々の噴射の速度及び貫通の制御を可能にする。さらに、ノズルアスペクト比は、予燃焼室がノズルを通って出るときに、予燃焼室内の燃焼事象の適切な急冷を確実にし、それによって、主燃焼室内開始するために必要とされる部分的に燃焼された充填物の噴射を提供する。

予燃焼室がシリンダヘッドの一体部分として形成されることが提供され得ると有利である。次いで、点火プラグは、シリンダヘッドを貫通し、予燃焼室に通じる孔内でシリンダヘッドと直接係合される。好ましくは、点火プラグは、標準化されたサイズを有する。予燃焼室は、シリンダヘッドの鋳造によって形成することができ、又は鋳造シリンダヘッドに機械的に組み込むことができる。代替的に、この実施形態では、予燃焼室は、シリンダヘッドの一体部分として形成することができ、次いで、点火プラグは、アダプタを介して、シリンダヘッドを貫通し、予燃焼室に通じる孔内で、シリンダヘッドと係合することができる。好ましくは、点火プラグは、標準化されたサイズを有する。予燃焼室は、シリンダヘッドの鋳造によって形成することができ、又は鋳造シリンダヘッドに機械的に組み込むことができる。あるいは、上述の実施形態に代えて、予燃焼室は、点火プラグの一体部分として形成することができる。したがって、予燃焼室を有する点火プラグは、シリンダヘッドを貫通して主燃焼室に通じる挿入孔内でシリンダヘッドと係合することができる。

上述の予燃焼室の実施形態の代わりに、エンジンは、中空円筒形固定部及び中空円筒形挿入部を有するアダプタインサート体を含むことができる。固定部及び挿入部は、互いに軸方向に隣接し、互いに軸方向に重ならない。したがって、固定部及び挿入部は、アダプタインサートの中心軸を規定する同じ中心軸を有する。点火プラグの点火端は、完全に固定部に配置され、挿入部は、挿入孔に配置される。挿入孔は、シリンダヘッドに形成され、外部から主燃焼室に通じる。点火プラグがアダプタインサートに挿入され、アダプタインサートが挿入孔に挿入される場合、アダプタインサートと点火プラグの中心軸と挿入孔の中心軸とは同じである。すなわち、アダプタインサートと挿入孔と点火プラグとは同心円状に配置されている。予燃焼室は、アダプタインサートの挿入部に形成される。アダプタインサートは、互いに軸方向に重ならない挿入部及び固定部を含む。このようにして、固定部を点火プラグに適合させることができ、挿入部をシリンダヘッドの挿入孔に互いに独立して適合させることができる。アダプタインサートを使用することにより、予燃焼室のない既存のエンジンに予燃焼室を取り付けることができると有利である。

また、アダプタインサートの固定部は、点火プラグが外側にしっかりと嵌合するように、第１のネジ山を介して点火プラグとネジ込まれてもよい。アダプタインサートの挿入部は、アダプタインサートが外側にしっかりと嵌合されるように、第２のネジ山を介してシリンダヘッドの挿入孔内にネジ込まれる。言うまでもなく、第１のネジ山の直径は第２のネジ山の直径よりも小さい。固定部の第１のネジ山及び挿入部の第２のネジ山は、軸方向に重ならないと有利である。このようにして、固定部を点火プラグに適合させることができ、挿入部をシリンダヘッドの挿入孔に互いに独立して適合させることができる。さらに、固定部と挿入部とを重ねることなく、アダプタインサートを簡単な方法で技術的に実施することができる。好ましくは、第１のネジ山及び第２のネジ山は、標準化されている。好ましくは、標準化された第１のネジ山はＭ１０又はＭ１２であり、標準化された第２のネジ山はＭ１２又はＭ１４である。このようにして、標準化されたＭ１２又はＭ１４挿入孔における標準化されたＭ１０又はＭ１２点火プラグの使用が可能になる。Ｍ１０、Ｍ１２及びＭ１４は、ネジ山のＩＳＯ規格寸法である。Ｍ１０、Ｍ１２、及びＭ１４ネジは、１０．００ｍｍ、１２．００ｍｍ、及び１４．００ｍｍの直径に対応する。

上述のアダプタインサートの実施形態の代わりに、アダプタインサートの挿入部は、材料結合されていてもよく、又はシリンダヘッドの挿入孔内に圧入されてもよい。このようにして、アダプタインサートは、挿入孔内に恒久的に固定され、外側にしっかりと嵌合される。アダプタインサートの固定部は、点火プラグが外側にしっかりと嵌合するように、ネジ山を介して点火プラグとネジ止めすることができる。好ましくは、ネジ山は標準化されている。好ましくは、標準化されたＭ１０又はＭ１２点火プラグの使用が可能になるように、標準化されたネジ山は、ここではＭ１２又はＭ１４である。

挿入部と固定部との間のアダプタインサート上に第１の周縁ストッパが形成されることが提供され得ると有利である。言い換えると、第１のストッパは、挿入部と固定部との間のアダプタインサートの外部及び周囲全体に形成される。第１のストッパは、固定部の軸方向外面によって形成することができる。第１のストッパを介して、アダプタインサートは、シリンダヘッドの外側に軸方向に支持される。アダプタインサートは、第１のストッパ上のシリンダヘッドにしっかりと嵌合することができると有利である。代替的に、又は追加的に、第２の周縁ストッパは、固定部によってアダプタインサート上に形成することができ、挿入部から離れる方向に面する。言い換えれば、第２のストッパは、固定部の軸方向外面によって、アダプタインサートの外部及び周囲全体に形成される。第２のストッパを介して、点火プラグは、アダプタインサートの外側に軸方向に支持され得る。点火プラグは、第２のストッパ上のアダプタインサートにしっかりと嵌合することができると有利である。

エンジンは、点火プラグのための点火コイルを含むことができ、点火コイルは、６０ｐｓから１０００ｐｓの間の可変火花持続時間を有し、及び／又はマルチストライク火花事象を提供するように設計されると有利である。点火コイルは、点火プラグに一体化されていてもよいし、点火プラグ上に配置された分離部分であってもよい。それとは独立して、点火コイルは、点火プラグの点火端に接続され、点火端で火花事象を開始することができる。例えばエンジン負荷が低い過酷な用途では、このような点火コイルを使用することにより、燃焼安定性を高めることができる。エンジン負荷が低いような場合には、予燃焼室内の充填物は、通常の点火時には助けにならず、燃焼を開始することができないことがある。火花存続期間を延長することによって、又はマルチストライク火花事象を提供することによって、これらの場合の点火は、予燃焼室内の充填物が導通しているとき、後に起こり得る。このようにして、失火又は部分的な燃焼を回避することができる。要約すると、極端な運転条件下（例えば、非常に低いエンジン負荷で、及び／又は触媒加熱のためのコールドスタート点火遅延で、及び／又は高レベルの希釈充填物で）でのロバスト性に関するさらなる利益を実現することができる。特に、それは、運転マップ全体にわたって、及びエンジンの低温始動下での運転を可能にする。さらに、第２の点火器の使用は不要である。

本発明はさらに、上述の火花点火式エンジンのための予燃焼室に関する。予燃焼室は、少なくとも２つのノズルを含み、ノズルを介して点火プラグの点火端とエンジンの主燃焼室とを接続するように構成される。予燃焼室は、予燃焼室容積比及びノズル要素によって特徴付けられる。予燃焼室体積は、上死点における主燃焼室の体積に対する予燃焼室の体積の比に対応し、１．９％～３．１％である。ノズル要素は、ノズルの合計流通領域と予燃焼室の体積との比に対応し、０．０８５ １／ｃｍ～１．１５ １／ｃｍである。さらに、予燃焼室は、ノズルアスペクト比によって特徴付けることができる。ノズルアスペクト比は、それぞれのノズルの直径に対するそれぞれのノズルの長さの比に対応し、１．７～２．２であり得る。予燃焼室は、シリンダヘッドの一体部分として形成することができると有利である。そこで、予燃焼室は、シリンダヘッドの鋳造によって形成することができ、又は鋳造されたシリンダヘッドに機械的に組み込むことができる。あるいは、予燃焼室は、アダプタインサート内に形成することができる。このようにして、予燃焼室は、予燃焼室なしの既存のエンジンに取り付けることができる。代替的に、予燃焼室は、点火プラグの一体部分として形成することができる。この実施形態では、予燃焼室は、予燃焼室なしの既存のエンジンに取り付けることもできる。

本発明はさらに、上述の火花点火式エンジン用のアダプタインサートに関する。アダプタインサートは、中空円筒形固定部と中空円筒形挿入部とを含む。固定部及び挿入部は、互いに軸方向に隣接し、互いに軸方向に重ならない。したがって、固定部及び挿入部は、アダプタインサートの中心軸を画定する同じ中心軸を有する。点火プラグの点火端は、確実な部分に完全に配置することができ、挿入部分は、シリンダヘッドを貫通して主燃焼室に通じる挿入孔に配置することができる。次いで、予燃焼室は、アダプタインサートの挿入部内に形成される。

したがって、アダプタインサートの固定部は、第１のネジ山を介して点火プラグとネジ込むように構成され得る。アダプタインサートの挿入部は、第２のネジ山を介してシリンダヘッドを用いて挿入孔内にネジ込むように構成され得る。好ましくは、第１のネジ山及び第２のネジ山は、標準化されている。標準化された第１のネジ山は、Ｍ１０又はＭ１２であり得、標準化された第２のネジ山は、Ｍ１２又はＭ１４であり得る。この場合、標準化されたＭ１２又はＭ１４挿入孔に標準化されたＭ１０又はＭ１２点火プラグを使用することが可能である。あるいは、アダプタインサートの挿入部は、シリンダヘッドとの挿入孔内に材料結合又は圧入するように構成することができる。

本発明のさらなる重要な特徴及び利点は、従属請求項、図面、及び図面を参照する図面の関連する説明から明らかになる。

上記の特徴及び以下に記載される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、示されたそれぞれの組み合わせにおいてのみならず、他の組み合わせにおいて、又は単独で、適用され得ることが理解される。

本発明の好ましい例示的な実施形態は、図面に表され、以下の説明においてより詳細に説明され、同じ参照記号は、同一の、類似の、又は機能的に等価な構成要素を指す。

本発明による火花点火式エンジンの断面図であり、予燃焼室がエンジンに異なる様式で取り付けられている。 本発明による火花点火式エンジンの断面図であり、予燃焼室がエンジンに異なる様式で取り付けられている。 本発明による火花点火式エンジンの断面図であり、予燃焼室がエンジンに異なる様式で取り付けられている。 本発明による火花点火式エンジンの断面図であり、予燃焼室がエンジンに異なる様式で取り付けられている。

図１は、第１の実施形態における火花点火式エンジン３の断面図を示す。エンジン３は、主燃焼室８と、主燃焼室８を部分的に囲むシリンダヘッド２とを含む。シリンダヘッド２には、外部から主燃焼室８に通じる挿入孔７が形成されている。シリンダヘッド２の挿入孔７にはアダプタインサート５が配置され、アダプタインサート５には中心軸６を有する点火プラグ４が配置されている。これにより、点火プラグ４の点火端９は、アダプタインサート５内に完全に配置される。点火プラグ４、アダプタインサート５及び挿入孔７は、同じ中心軸６を有し、言い換えれば、互いに同心に配置されている。アダプタインサート５は、互いに軸方向に隣接して配置され、軸方向に重ならない、固定部１０及び挿入部１１を含む。「軸方向」及び「半径方向」という用語は、常に中心軸６に関連する。

点火プラグ４は、アダプタインサート５の固定部１０に配置され、標準化された第１のネジ山Ｍ１０又はＭ１２を介してそれとネジ止めされる。アダプタインサート５は、その挿入部１１が挿入孔７内に配置され、標準化された第２のネジ山Ｍ１２又はＭ１４を介してシリンダヘッド２とネジ止めされる。固定部１０の第１のネジ山と挿入部１１の第２のネジ山は、軸方向に重ならない。他の場合には、固定部１０と挿入部１１との間の接続の技術的実装のために十分な金属が利用可能ではない。Ｍ１０又はＭ１２規格化された点火プラグ４は、シリンダヘッド２のＭ１２又はＭ１４規格化された挿入孔７に使用することができると有利である。

アダプタインサート５の挿入部１１には、ノズル１３を有する受動型予燃焼室１２が形成されている。ノズル１３は、アダプタインサート５の挿入部１１を貫通し、点火プラグ４の点火端９と主燃焼室８とを流体的に接続する。予燃焼室体積比は、上死点における主燃焼室８の体積に対する予燃焼室１２の体積の比に対応し、１．９％～３．１％である。ノズル要素は、ノズル１３の合計流通領域と予燃焼室１２の体積との比に対応し、０．０８５ １／ｃｍ～１．１５ １／ｃｍである。ノズルアスペクト比は、それぞれのノズル１３の直径に対するそれぞれのノズル１３の長さの比に対応し、１．７～２．２であり得る。

アダプタインサート５には、挿入部１１と固定部１０との間に第１の周縁ストッパ１４が形成されている。第１のストッパ１４を介して、アダプタインサート５は、シリンダヘッド２の外側に、しっかりと嵌合するように軸方向に支持される。第２の周縁ストッパ１５は、固定部１０によってアダプタインサート５上に形成され、挿入部１１から離れる方向に面している。第２のストッパ１５を介して、点火プラグ４は、アダプタインサート５の外側に、しっかりと嵌合するように軸方向に支持される。

点火プラグ４は、６０ ｐｓから１０００ ｐｓの間の可変点火持続時間を有することができるか、又はマルチストライク点火イベントを提供するように設計され得る点火コイル１６を含む。このようにして、過酷な用途、例えば低エンジン負荷及び／又は触媒加熱のためのコールドスタート点火遅延及び／又は高レベルの希釈充填物において、主燃焼室８内での失火又は部分的な燃焼事象を回避することができる。

図２は、第２の実施形態における火花点火式エンジン３の断面図を示す。エンジン３の第１の実施形態とは異なり、アダプタインサート５は、シリンダヘッド２によって挿入孔７内に圧入される。このため、アダプタインサート５の挿入部１１とシリンダヘッド２の挿入孔７とには、ネジ山が形成されていない。したがって、アダプタインサート５は、挿入孔７内に移動不能には固定されていない。その他の点では、第２実施形態におけるエンジン３は、エンジン３の第１実施形態に相当する。

図３は、第３の実施形態における火花点火式エンジン３の断面図を示す。エンジン３の第１及び第２の実施形態とは異なり、予燃焼室１２はシリンダヘッド２に一体的に形成され、エンジン３はここではアダプタインサートを含まない。予燃焼室１２は、シリンダヘッド２の鋳造によって形成され、ノズルは、鋳造された予燃焼室１２に機械的に組み込まれる。点火プラグ４の点火端９は、シリンダヘッド２を貫通して予燃焼室１２に通じる孔１７内に配置される。その他の点では、第３の実施形態におけるエンジン３は、エンジン３の第１及び第２の実施形態に対応する。図示の実施形態は、予燃焼室１２を有し、シリンダヘッド２と共に鋳造されたアダプタインサート５としても解釈することができる。

図４は、第４の実施形態における火花点火式エンジン３の断面図を示す。エンジン３の第１、第２、及び第３の実施形態とは異なり、予燃焼室１２は、点火プラグ４に一体に形成され、予燃焼室１２を備えた点火プラグ４は、シリンダヘッド２の挿入孔７内にネジ込まれる。第４の実施形態では、エンジン３は、アダプタインサートを含まない。予燃焼室１２は、点火プラグ４の本体によって形成され、ノズル１３は、この本体に機械的に組み込まれる。そうでない場合、第４の実施形態におけるエンジン３は、エンジン３の第１、第２、及び第３の実施形態に対応する。

本発明による予燃焼室１２の使用は、エンジンの低負荷、遅延燃焼位相、及び低温始動の条件下で、動作マップ全体にわたって最適な燃焼を可能にする。本発明によるアダプタインサート５の使用は、既存のエンジン３に予燃焼室１２を取り付けることを可能にする。特に、Ｍ１０又はＭ１２規格の点火プラグ４は、シリンダヘッド２のＭ１２又はＭ１４規格の挿入孔７に使用することができる。本発明による火花点火式エンジン３は、運転マップ全体にわたって、及びコールドスタートによって運転することができると有利である。

本発明は、請求項１に記載の予燃焼室を備えた火花点火エンジンに関する。本発明はまた、予燃焼室を有するアダプタインサート及びエンジン用の予燃焼室に関する。

点火プラグは、エンジン内のシリンダの主燃焼室内の充填物（燃料及び空気の混合物）の火花点火エンジンに使用される。受動型の予燃焼室は、点火プラグ上に配置することができ、ノズルを介して主燃焼室に接続することができる。予燃焼室の使用は、例えば、特許文献１～４から知られている。充填物の点火は、予燃焼室内で起こり、部分的に燃焼された充填物の噴射を介してノズルを通って主燃焼室まで延びる。そこで、エンジンの圧縮行程中に、主燃焼室から予燃焼室内へ充填物が押し出され、その後、点火プラグによって点火される。部分燃焼の充填物は、ノズルを介して主燃焼室に流れ、主燃焼室内の充填物は、複数点で点火される。このようにして、主燃焼室内のより速い燃焼に到達することができ、エンジンのノックを回避することができる。予燃焼室はまた、予燃焼室なしの従来の点火プラグでは不可能であった希釈混合物の点火を可能にする。予燃焼室の使用は、モータースポーツ用途では十分に確立されているが、ロードカー用途にはまだ広まっていない。これは、初期コールドスタートの間に排気触媒のための発熱のような、低エンジン負荷、例えばアイドル及び遅延燃焼位相において許容可能な燃焼安定性を達成するという課題があるからである。

特許文献５は、点火器と燃料噴射器との両方が予燃焼室内に配置された点火装置を有するエンジンを開示している。予燃焼室の内部容積は、燃焼室の最小容積の５％以下で、特に０．３％以上３％以下である。

特許文献２並びに特許文献６～１１もまた予燃焼室を有する点火装置を開示している。

米国特許出願公開第３，９２１，６０５号明細書 米国特許出願公開第４，２１８，９９２号明細書 米国特許出願公開第４，０９２，９６９号明細書 米国特許第９，８５０，８０６号明細書 欧州特許出願公開第３２３９４８７号明細書 独国特許出願公開第２５０３８１１号明細書 米国特許出願公開第２００９／２０５４６８号明細書 米国特許第４，３２７，６８１号明細書 米国特許出願公開第２００９／３３６６７号明細書 米国特許出願公開第２０１２／２４０８９０号明細書 米国特許出願公開第２０１６／０５３６７３号明細書

したがって、本発明の目的は、記載された欠点を克服するための、一般的なタイプの火花点火エンジンのための改良された、又は少なくとも別の実施形態を特定することである。特に、本発明の目的は、全速度負荷マップにわたって、特に低エンジン負荷、及び／又は、遅延燃焼位相及び／又はコールドスタート条件下で、エンジンの動作を可能にする予燃焼室を特定することである。

本発明によれば、この目的は、独立クレームの主題によって達成される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

火花点火エンジンは、少なくとも１つの主燃焼室と、主燃焼室を少なくとも部分的に取り囲むシリンダヘッドとを含む。エンジンは、中心軸を有し、シリンダヘッド内に配置された点火プラグを含む。そこで、点火プラグの点火端は、主燃焼室に面する。すなわち、点火プラグは、点火端を有するシリンダヘッドを、主燃焼室の方向の外側から貫通している。少なくとも２つのノズルを有する予燃焼室が、主燃焼室内に配置され、ノズルを介して点火プラグの点火端と主燃焼室とを接続する。言い換えれば、ノズルを有する予燃焼室は、点火プラグの点火端と主燃焼室との間に配置される。本発明によれば、予燃焼室体積比は、上死点における主燃焼室の体積に対する予燃焼室の体積の比に対応し、１．９％～３．１％である。さらに、ノズル要素は、ノズルの合計流通領域と予燃焼室の体積との比に対応し、０．０８５ １／ｃｍ～１．１５ １／ｃｍである。

上死点は、前記主燃焼室を有するシリンダのピストン位置であることは言うまでもない。上死点における主燃焼室の体積は最小である。予燃焼室容積比は、予燃焼室内の燃焼から利用可能な点火エネルギーを規定する。予燃焼室容積比が１．９％未満である場合、低いエンジン負荷では点火エネルギーが不十分であり、主燃焼室への燃焼充填物の噴流の浸透が低減される。逆に、予燃焼室容積比が３．１％よりも大きい場合、予燃焼室内の過剰圧力は、高いエンジン負荷では高すぎ、熱損失が増加する。ノズル要素は、燃焼後に予燃焼室からの流れを可能にし、予燃焼室に新鮮な充填物を補充する能力に関する。ノズル要素はまた、その燃焼事象中に予燃焼室内の圧力上昇を制御するために使用することができ、これは、部分的に燃焼された充填物の主燃焼室内への噴流の浸透と、主燃焼室内の点火点の位置特定とをもたらす。１．９％～３．１％の予燃焼室容積比及び０．０８５ １／ｃｍ～１．１５ １／ｃｍのノズル要素を有する予燃焼室を使用することにより、エンジンの低負荷、遅延燃焼位相及び低温始動の条件下で、運転マップ全体にわたって最適な燃焼が可能になると有利である。火花点火エンジンは、乗用車、商用車、オートバイ、レクリエーション用車、定置エンジン、又は他の用途に使用することができる。火花点火エンジンは、ガソリン又は他のタイプの燃料を使用することができる。

ノズルアスペクト比が、それぞれのノズルの直径に対するそれぞれのノズルの長さの比に対応することが提供され得ると有利である。ノズルアスペクト比は１．７～２．２である。ノズルアスペクト比は、主燃焼室内への燃焼充填物の個々の噴射の速度及び貫通の制御を可能にする。さらに、ノズルアスペクト比は、予燃焼室がノズルを通って出るときに、予燃焼室内の燃焼事象の適切な急冷を確実にし、それによって、主燃焼室内開始するために必要とされる部分的に燃焼された充填物の噴射を提供する。

予燃焼室がシリンダヘッドの一体部分として形成されることが提供され得ると有利である。次いで、点火プラグは、シリンダヘッドを貫通し、予燃焼室に通じる孔内でシリンダヘッドと直接係合される。好ましくは、点火プラグは、標準化されたサイズを有する。予燃焼室は、シリンダヘッドの鋳造によって形成することができ、又は鋳造シリンダヘッドに機械的に組み込むことができる。代替的に、この実施形態では、予燃焼室は、シリンダヘッドの一体部分として形成することができ、次いで、点火プラグは、アダプタを介して、シリンダヘッドを貫通し、予燃焼室に通じる孔内で、シリンダヘッドと係合することができる。好ましくは、点火プラグは、標準化されたサイズを有する。予燃焼室は、シリンダヘッドの鋳造によって形成することができ、又は鋳造シリンダヘッドに機械的に組み込むことができる。あるいは、上述の実施形態に代えて、予燃焼室は、点火プラグの一体部分として形成することができる。したがって、予燃焼室を有する点火プラグは、シリンダヘッドを貫通して主燃焼室に通じる挿入孔内でシリンダヘッドと係合することができる。

上述の予燃焼室の実施形態の代わりに、エンジンは、中空円筒形固定部及び中空円筒形挿入部を有するアダプタインサート体を含むことができる。固定部及び挿入部は、互いに軸方向に隣接し、互いに軸方向に重ならない。したがって、固定部及び挿入部は、アダプタインサートの中心軸を規定する同じ中心軸を有する。点火プラグの点火端は、完全に固定部に配置され、挿入部は、挿入孔に配置される。挿入孔は、シリンダヘッドに形成され、外部から主燃焼室に通じる。点火プラグがアダプタインサートに挿入され、アダプタインサートが挿入孔に挿入される場合、アダプタインサートと点火プラグの中心軸と挿入孔の中心軸とは同じである。すなわち、アダプタインサートと挿入孔と点火プラグとは同心円状に配置されている。予燃焼室は、アダプタインサートの挿入部に形成される。アダプタインサートは、互いに軸方向に重ならない挿入部及び固定部を含む。このようにして、固定部を点火プラグに適合させることができ、挿入部をシリンダヘッドの挿入孔に互いに独立して適合させることができる。アダプタインサートを使用することにより、予燃焼室のない既存のエンジンに予燃焼室を取り付けることができると有利である。

また、アダプタインサートの固定部は、点火プラグが外側にしっかりと嵌合するように、第１のネジ山を介して点火プラグとネジ込まれてもよい。アダプタインサートの挿入部は、アダプタインサートが外側にしっかりと嵌合されるように、第２のネジ山を介してシリンダヘッドの挿入孔内にネジ込まれる。言うまでもなく、第１のネジ山の直径は第２のネジ山の直径よりも小さい。固定部の第１のネジ山及び挿入部の第２のネジ山は、軸方向に重ならないと有利である。このようにして、固定部を点火プラグに適合させることができ、挿入部をシリンダヘッドの挿入孔に互いに独立して適合させることができる。さらに、固定部と挿入部とを重ねることなく、アダプタインサートを簡単な方法で技術的に実施することができる。好ましくは、第１のネジ山及び第２のネジ山は、標準化されている。好ましくは、標準化された第１のネジ山はＭ１０又はＭ１２であり、標準化された第２のネジ山はＭ１２又はＭ１４である。このようにして、標準化されたＭ１２又はＭ１４挿入孔における標準化されたＭ１０又はＭ１２点火プラグの使用が可能になる。Ｍ１０、Ｍ１２及びＭ１４は、ネジ山のＩＳＯ規格寸法である。Ｍ１０、Ｍ１２、及びＭ１４ネジは、１０．００ｍｍ、１２．００ｍｍ、及び１４．００ｍｍの直径に対応する。

上述のアダプタインサートの実施形態の代わりに、アダプタインサートの挿入部は、材料結合されていてもよく、又はシリンダヘッドの挿入孔内に圧入されてもよい。このようにして、アダプタインサートは、挿入孔内に恒久的に固定され、外側にしっかりと嵌合される。アダプタインサートの固定部は、点火プラグが外側にしっかりと嵌合するように、ネジ山を介して点火プラグとネジ止めすることができる。好ましくは、ネジ山は標準化されている。好ましくは、標準化されたＭ１０又はＭ１２点火プラグの使用が可能になるように、標準化されたネジ山は、ここではＭ１２又はＭ１４である。

挿入部と固定部との間のアダプタインサート上に第１の周縁ストッパが形成されることが提供され得ると有利である。言い換えると、第１のストッパは、挿入部と固定部との間のアダプタインサートの外部及び周囲全体に形成される。第１のストッパは、固定部の軸方向外面によって形成することができる。第１のストッパを介して、アダプタインサートは、シリンダヘッドの外側に軸方向に支持される。アダプタインサートは、第１のストッパ上のシリンダヘッドにしっかりと嵌合することができると有利である。代替的に、又は追加的に、第２の周縁ストッパは、固定部によってアダプタインサート上に形成することができ、挿入部から離れる方向に面する。言い換えれば、第２のストッパは、固定部の軸方向外面によって、アダプタインサートの外部及び周囲全体に形成される。第２のストッパを介して、点火プラグは、アダプタインサートの外側に軸方向に支持され得る。点火プラグは、第２のストッパ上のアダプタインサートにしっかりと嵌合することができると有利である。

エンジンは、点火プラグのための点火コイルを含むことができ、点火コイルは、６０ｐｓから１０００ｐｓの間の可変火花持続時間を有し、及び／又はマルチストライク火花事象を提供するように設計されると有利である。点火コイルは、点火プラグに一体化されていてもよいし、点火プラグ上に配置された分離部分であってもよい。それとは独立して、点火コイルは、点火プラグの点火端に接続され、点火端で火花事象を開始することができる。例えばエンジン負荷が低い過酷な用途では、このような点火コイルを使用することにより、燃焼安定性を高めることができる。エンジン負荷が低いような場合には、予燃焼室内の充填物は、通常の点火時には助けにならず、燃焼を開始することができないことがある。火花存続期間を延長することによって、又はマルチストライク火花事象を提供することによって、これらの場合の点火は、予燃焼室内の充填物が導通しているとき、後に起こり得る。このようにして、失火又は部分的な燃焼を回避することができる。要約すると、極端な運転条件下（例えば、非常に低いエンジン負荷で、及び／又は触媒加熱のためのコールドスタート点火遅延で、及び／又は高レベルの希釈充填物で）でのロバスト性に関するさらなる利益を実現することができる。特に、それは、運転マップ全体にわたって、及びエンジンの低温始動下での運転を可能にする。さらに、第２の点火器の使用は不要である。

本発明はさらに、上述の火花点火式エンジンのための予燃焼室に関する。予燃焼室は、少なくとも２つのノズルを含み、ノズルを介して点火プラグの点火端とエンジンの主燃焼室とを接続するように構成される。予燃焼室は、予燃焼室容積比及びノズル要素によって特徴付けられる。予燃焼室体積は、上死点における主燃焼室の体積に対する予燃焼室の体積の比に対応し、１．９％～３．１％である。ノズル要素は、ノズルの合計流通領域と予燃焼室の体積との比に対応し、０．０８５ １／ｃｍ～１．１５ １／ｃｍである。さらに、予燃焼室は、ノズルアスペクト比によって特徴付けることができる。ノズルアスペクト比は、それぞれのノズルの直径に対するそれぞれのノズルの長さの比に対応し、１．７～２．２であり得る。予燃焼室は、シリンダヘッドの一体部分として形成することができると有利である。そこで、予燃焼室は、シリンダヘッドの鋳造によって形成することができ、又は鋳造されたシリンダヘッドに機械的に組み込むことができる。あるいは、予燃焼室は、アダプタインサート内に形成することができる。このようにして、予燃焼室は、予燃焼室なしの既存のエンジンに取り付けることができる。代替的に、予燃焼室は、点火プラグの一体部分として形成することができる。この実施形態では、予燃焼室は、予燃焼室なしの既存のエンジンに取り付けることもできる。

本発明はさらに、上述の火花点火式エンジン用のアダプタインサートに関する。アダプタインサートは、中空円筒形固定部と中空円筒形挿入部とを含む。固定部及び挿入部は、互いに軸方向に隣接し、互いに軸方向に重ならない。したがって、固定部及び挿入部は、アダプタインサートの中心軸を画定する同じ中心軸を有する。点火プラグの点火端は、確実な部分に完全に配置することができ、挿入部分は、シリンダヘッドを貫通して主燃焼室に通じる挿入孔に配置することができる。次いで、予燃焼室は、アダプタインサートの挿入部内に形成される。

したがって、アダプタインサートの固定部は、第１のネジ山を介して点火プラグとネジ込むように構成され得る。アダプタインサートの挿入部は、第２のネジ山を介してシリンダヘッドを用いて挿入孔内にネジ込むように構成され得る。好ましくは、第１のネジ山及び第２のネジ山は、標準化されている。標準化された第１のネジ山は、Ｍ１０又はＭ１２であり得、標準化された第２のネジ山は、Ｍ１２又はＭ１４であり得る。この場合、標準化されたＭ１２又はＭ１４挿入孔に標準化されたＭ１０又はＭ１２点火プラグを使用することが可能である。あるいは、アダプタインサートの挿入部は、シリンダヘッドとの挿入孔内に材料結合又は圧入するように構成することができる。

本発明のさらなる重要な特徴及び利点は、従属請求項、図面、及び図面を参照する図面の関連する説明から明らかになる。

上記の特徴及び以下に記載される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、示されたそれぞれの組み合わせにおいてのみならず、他の組み合わせにおいて、又は単独で、適用され得ることが理解される。

本発明の好ましい例示的な実施形態は、図面に表され、以下の説明においてより詳細に説明され、同じ参照記号は、同一の、類似の、又は機能的に等価な構成要素を指す。

本発明による火花点火式エンジンの断面図であり、予燃焼室がエンジンに異なる様式で取り付けられている。 本発明による火花点火式エンジンの断面図であり、予燃焼室がエンジンに異なる様式で取り付けられている。 本発明による火花点火式エンジンの断面図であり、予燃焼室がエンジンに異なる様式で取り付けられている。 本発明による火花点火式エンジンの断面図であり、予燃焼室がエンジンに異なる様式で取り付けられている。

図１は、第１の実施形態における火花点火式エンジン３の断面図を示す。エンジン３は、主燃焼室８と、主燃焼室８を部分的に囲むシリンダヘッド２とを含む。シリンダヘッド２には、外部から主燃焼室８に通じる挿入孔７が形成されている。シリンダヘッド２の挿入孔７にはアダプタインサート５が配置され、アダプタインサート５には中心軸６を有する点火プラグ４が配置されている。これにより、点火プラグ４の点火端９は、アダプタインサート５内に完全に配置される。点火プラグ４、アダプタインサート５及び挿入孔７は、同じ中心軸６を有し、言い換えれば、互いに同心に配置されている。アダプタインサート５は、互いに軸方向に隣接して配置され、軸方向に重ならない、固定部１０及び挿入部１１を含む。「軸方向」及び「半径方向」という用語は、常に中心軸６に関連する。

点火プラグ４は、アダプタインサート５の固定部１０に配置され、標準化された第１のネジ山Ｍ１０又はＭ１２を介してそれとネジ止めされる。アダプタインサート５は、その挿入部１１が挿入孔７内に配置され、標準化された第２のネジ山Ｍ１２又はＭ１４を介してシリンダヘッド２とネジ止めされる。固定部１０の第１のネジ山と挿入部１１の第２のネジ山は、軸方向に重ならない。他の場合には、固定部１０と挿入部１１との間の接続の技術的実装のために十分な金属が利用可能ではない。Ｍ１０又はＭ１２規格化された点火プラグ４は、シリンダヘッド２のＭ１２又はＭ１４規格化された挿入孔７に使用することができると有利である。

アダプタインサート５の挿入部１１には、ノズル１３を有する受動型予燃焼室１２が形成されている。ノズル１３は、アダプタインサート５の挿入部１１を貫通し、点火プラグ４の点火端９と主燃焼室８とを流体的に接続する。予燃焼室体積比は、上死点における主燃焼室８の体積に対する予燃焼室１２の体積の比に対応し、１．９％～３．１％である。ノズル要素は、ノズル１３の合計流通領域と予燃焼室１２の体積との比に対応し、０．０８５ １／ｃｍ～１．１５ １／ｃｍである。ノズルアスペクト比は、それぞれのノズル１３の直径に対するそれぞれのノズル１３の長さの比に対応し、１．７～２．２であり得る。

アダプタインサート５には、挿入部１１と固定部１０との間に第１の周縁ストッパ１４が形成されている。第１のストッパ１４を介して、アダプタインサート５は、シリンダヘッド２の外側に、しっかりと嵌合するように軸方向に支持される。第２の周縁ストッパ１５は、固定部１０によってアダプタインサート５上に形成され、挿入部１１から離れる方向に面している。第２のストッパ１５を介して、点火プラグ４は、アダプタインサート５の外側に、しっかりと嵌合するように軸方向に支持される。

点火プラグ４は、６０ ｐｓから１０００ ｐｓの間の可変点火持続時間を有することができるか、又はマルチストライク点火イベントを提供するように設計され得る点火コイル１６を含む。このようにして、過酷な用途、例えば低エンジン負荷及び／又は触媒加熱のためのコールドスタート点火遅延及び／又は高レベルの希釈充填物において、主燃焼室８内での失火又は部分的な燃焼事象を回避することができる。

図２は、第２の実施形態における火花点火式エンジン３の断面図を示す。エンジン３の第１の実施形態とは異なり、アダプタインサート５は、シリンダヘッド２によって挿入孔７内に圧入される。このため、アダプタインサート５の挿入部１１とシリンダヘッド２の挿入孔７とには、ネジ山が形成されていない。したがって、アダプタインサート５は、挿入孔７内に移動不能には固定されていない。その他の点では、第２実施形態におけるエンジン３は、エンジン３の第１実施形態に相当する。

図３は、第３の実施形態における火花点火式エンジン３の断面図を示す。エンジン３の第１及び第２の実施形態とは異なり、予燃焼室１２はシリンダヘッド２に一体的に形成され、エンジン３はここではアダプタインサートを含まない。予燃焼室１２は、シリンダヘッド２の鋳造によって形成され、ノズルは、鋳造された予燃焼室１２に機械的に組み込まれる。点火プラグ４の点火端９は、シリンダヘッド２を貫通して予燃焼室１２に通じる孔１７内に配置される。その他の点では、第３の実施形態におけるエンジン３は、エンジン３の第１及び第２の実施形態に対応する。図示の実施形態は、予燃焼室１２を有し、シリンダヘッド２と共に鋳造されたアダプタインサート５としても解釈することができる。

図４は、第４の実施形態における火花点火式エンジン３の断面図を示す。エンジン３の第１、第２、及び第３の実施形態とは異なり、予燃焼室１２は、点火プラグ４に一体に形成され、予燃焼室１２を備えた点火プラグ４は、シリンダヘッド２の挿入孔７内にネジ込まれる。第４の実施形態では、エンジン３は、アダプタインサートを含まない。予燃焼室１２は、点火プラグ４の本体によって形成され、ノズル１３は、この本体に機械的に組み込まれる。そうでない場合、第４の実施形態におけるエンジン３は、エンジン３の第１、第２、及び第３の実施形態に対応する。

本発明による予燃焼室１２の使用は、エンジンの低負荷、遅延燃焼位相、及び低温始動の条件下で、動作マップ全体にわたって最適な燃焼を可能にする。本発明によるアダプタインサート５の使用は、既存のエンジン３に予燃焼室１２を取り付けることを可能にする。特に、Ｍ１０又はＭ１２規格の点火プラグ４は、シリンダヘッド２のＭ１２又はＭ１４規格の挿入孔７に使用することができる。本発明による火花点火式エンジン３は、運転マップ全体にわたって、及びコールドスタートによって運転することができると有利である。

Claims (10)

1. エンジン（３）は、少なくとも１つの主燃焼室（８）と、前記主燃焼室（８）を少なくとも部分的に取り囲むシリンダヘッド（２）とを含み、
   中心軸（６）を有する前記エンジン（３）の点火プラグ（４）が前記シリンダヘッド（２）内に配置され、前記点火プラグ（４）の点火端（９）が前記主燃焼室（８）に面しており、
   少なくとも２つのノズル（１３）を有する予燃焼室（１２）が、前記主燃焼室内（８）内に配置され、前記ノズル（１３）を介して前記点火プラグ（４）の前記点火端（９）と前記主燃焼室内（８）とを接続し、
   予燃焼室体積比が、上死点での主燃焼室内（８）の体積に対する予燃焼室（１２）の体積の比に対応し、１．９％以上３．１％以下であり、
   ノズル要素が、前記ノズル（１３）の合計流通領域の前記予燃焼室（１２）の体積に対する比に対応し、０．０８５ １／ｃｍ以上１．１５ １／ｃｍ以下である
   ことを特徴とする火花点火式エンジン（３）。
2. ノズルアスペクト比が、それぞれの前記ノズル（１３）の直径に対するそれぞれの前記ノズル（１３）の長さの比に対応し、１．７以上２．２以下である
   ことを特徴とする、請求項１に記載のエンジン。
3. 前記予燃焼室（１２）は、前記シリンダヘッド（２）の一体部品として形成され、前記点火プラグ（４）は、前記シリンダヘッド（２）を貫通して前記予燃焼室（１２）に通じる孔（１７）内で前記シリンダヘッド（２）に直接係合されるか、又は、
   前記予燃焼室（１２）は、前記シリンダヘッド（２）の一体部品として形成され、前記点火プラグ（４）は、アダプタを介して、かつ、前記シリンダヘッド（２）を貫通して前記予燃焼室（１２）に通じる孔（１７）内で前記シリンダヘッド（２）に係合されるか、又は、
   前記予燃焼室（１２）は、前記点火プラグ（４）の一体部品として形成され、前記予燃焼室を有する前記点火プラグ（４）は、前記シリンダヘッド（２）を貫通し、前記主燃焼室（８）に通じる挿入孔（７）内で前記シリンダヘッド（２）に係合される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 前記エンジンが、中空円筒形の固定部（１０）及び中空円筒形の挿入部（１１）を備えたアダプタインサート（５）を含み、
   前記固定部（１０）と前記挿入部（１１）とが、互いに軸方向に隣接し、互いに軸方向に重なり合わず、
   前記点火プラグ（４）の点火端（９）が、前記固定部（１０）内に完全に配置され、前記挿入部（１１）が、前記シリンダヘッド（２）を貫通して前記主燃焼室（８）に通じる挿入孔（７）内に配置され、かつ、
   前記予燃焼室（１２）が、前記アダプタインサート（５）の前記挿入部（１１）内に形成される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン。
5. 前記アダプタインサート（５）の前記固定部（１０）は、第１のネジ山を介して前記点火プラグ（４）と螺合され、
   前記点火プラグ（４）は、外部にしっかりと嵌合され、
   前記アダプタインサート（５）の前記挿入部（１１）は、第２のネジ山を介して前記シリンダヘッド（２）と前記挿入孔（７）内に螺合され、
   前記アダプタインサート（５）は、外部にしっかりと嵌合される
   ことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
6. 前記アダプタインサート（５）の前記固定部（１０）は、前記点火プラグ（４）にネジ山を介して螺合され、
   前記点火プラグ（４）は、外部にしっかりと嵌合され、前記アダプタインサート（５）の前記挿入部（１１）は、前記シリンダヘッド（２）によって前記挿入孔（７）内に材料結合又は圧入され、
   前記アダプタインサート（５）は、外部にしっかりと嵌合される
   ことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
7. 第１の周縁ストッパ（１４）が、前記挿入部（１１）と前記固定部（１０）との間に形成され、前記第１の周縁ストッパ（１４）を介して、アダプタインサート（５）が、シリンダヘッド（２）の外側に軸方向に支持される、及び／又は
   第２の周縁ストッパ（１５）が、前記固定部（１０）によって形成され、前記挿入部（１１）から離れて面し、前記第２の周縁ストッパ（１５）を介して、前記点火プラグ（４）が、前記アダプタインサート（５）の外側に軸方向に支持される
   請求項４～６のいずれか１項に記載のエンジン。
8. 前記エンジン（３）は、前記点火プラグ（４）のための点火コイル（１６）を含み、
   前記点火コイル（１６）は、６０ｐｓ以上１０００ｐｓ以下の間の可変点火持続時間を有し、及び／又は、
   マルチストライク点火事象を提供するように設計される
   ことを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載のエンジン。
9. 前記予燃焼室（１２）は、少なくとも２つのノズル（１３）を含み、前記ノズル（１３）を介して点火プラグ（４）の点火端（９）と前記エンジン（３）の主燃焼室（８）とを接続するように構成されている、
   請求項１～８のいずれか１項に記載の火花点火式エンジン（３）のための予燃焼室（１２）。
10. アダプタインサート（５）は、中空円筒形の固定部（１０）と中空円筒形の挿入部（１１）とを含み、
    前記固定部（１０）と前記挿入部（１１）とは、互いに軸方向に隣接し、互いに軸方向に重ならず、
    前記点火プラグ（４）の点火端（９）は、前記固定部（１０）内に完全に配置することができ、前記挿入部（１１）は、前記シリンダヘッド（２）を貫通して前記主燃焼室（８）内に通じる挿入孔（７）内に配置することができ、
    前記予燃焼室（１２）は前記アダプタインサート（５）の前記挿入部（１１）に作成されている、
    請求項１～８のいずれか１項に記載の火花点火式エンジン（３）のためのアダプタインサート（５）。

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